通用變頻器運行過程中存在的問題及其對策
1、前言
自80年代通用變頻器進入中國市場以來，在短短的十幾年時間里得到了非常廣泛的應用。目前，通用變頻器以其智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化等優(yōu)點越來越受到人們的青睞。隨著通用變頻器應用范圍的擴大，暴露出來的問題也越來越多，主要有以下幾方面：
①諧波問題
②變頻器負載匹配問題
③發(fā)熱問題
以上這些問題已經(jīng)引起了有關治理部門和廠礦的注重并制定了相關的技術標準。如諧波問題，我國于1984年和1993年通過了“電力系統(tǒng)諧波治理暫行規(guī)定”及GB/T-14549-93標準，用以限制供電系統(tǒng)及用電設備的諧波污染。針對上述問題，本文進行了分析并提出了解決方案及對策。
2、諧波問題及其對策
通用變頻器的主電路形式一般由三部分組成：整流部分、逆變部分和濾波部分。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變器部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形。對于雙極性調(diào)制的變頻器，其輸出電壓波形展開式為：
式中：n—諧波的次數(shù)n=1，3，5……;
a1—開關角，i=1，2，3……N/2;
Ed—變頻器直流側電壓;
N—載波比。
由式可見，各項諧波的幅值為
令n=1，則得出變頻器輸出電壓的基波幅值為：
從、、式可以看出，通用變頻器的輸出電壓中確實含有除基波以外的其他諧波。較低次諧波通常對電機負載影響較大，引起轉矩脈動，而較高的諧波又使變頻器輸出電纜的漏電流增加，使電機出力不足，故變頻器輸出的高低次諧波都必須抑制。
如前所述，由于通用變頻器的整流部分采用二極管不可控橋式整流電路，中間濾波部分采用大電容作為濾波器，所以整流器的輸入電流實際上是電容器的充電電流，呈較為陡峻的脈沖波，其諧波分量較大。為了消除諧波，可采用以下對策：
①增加變頻器供電電源內(nèi)阻抗
通常情況下，電源設備的內(nèi)阻抗可以起到緩沖變頻器直流濾波電容的無功功率的作用。這種內(nèi)阻抗就是變壓器的短路阻抗。當電源容量相對變頻器容量越小時，則內(nèi)阻抗值相對越大，諧波含量越小；電源容量相對變頻器容量越大時，則內(nèi)阻抗值相對越大，諧波含量越大。對于三菱FR-F540系列變頻器，當電源內(nèi)阻為4%時，可以起到很好的諧波抑制作用。所以選擇變頻器供電電源變壓器時，*好選擇短路阻抗大的變壓器。
②安裝電抗器
安裝電抗器實際上從外部增加變頻器供電電源的內(nèi)阻抗。在變頻器的交流側安裝交流電抗器或在變頻器的直流側安裝直流電抗器，或同時安裝，抑制諧波電流。表一列出了三菱FR-A540變頻器安裝電抗器和不安裝電抗器的含量對照表。
③變壓器多相運行
通用變頻器的整流部分是六脈波整流器，所以產(chǎn)生的諧波較大。假如應用變壓器的多相運行，使相位角互差30°如Y-△、△-△組合的兩個變壓器構成相當于12脈波的效果則可減小低次諧波電流28%，起到了很好的諧波抑制作用。
④調(diào)節(jié)變頻器的載波比
從、、式可以看出，只要載波比足夠大，較低次諧波就可以被有效地抑制，非凡是參考波幅值與載波幅值小于1時，13次以下的奇數(shù)諧波不再出現(xiàn)。
⑤專用濾波器
該專用濾波器用于檢測變頻器諧波電流的幅值和相位，并產(chǎn)生一個與諧波電流幅值相同且相位正好相反的電流，通到變頻器中，從而可以非常有效地吸收諧波電流。
3、負載匹配問題及其對策
生產(chǎn)機械的種類繁多，性能和工藝要求各異，其轉矩特性是復雜的，大體分為三種類型：恒轉矩負載、風機泵類負載和恒功率負載。針對不同的負載類型，應選擇不同類型的變頻器。
①恒轉矩負載
恒轉矩負載是指負載轉矩與轉速無關，任何轉速下，轉矩均保持恒定。恒轉矩負載又分為摩擦類負載和位能式負載。
摩擦類負載的起動轉矩一般要求額定轉矩的150%左右，制動轉矩一般要求額定轉矩的100%左右，所以變頻器應選擇那些具有恒定轉矩特性，并且起動和制動轉矩都比較大，過載時間長和過載能力大的變頻器。如三菱變頻器FR-A540系列。
位能式負載一般要求大的起動轉矩和能量回饋功能，能夠快速實現(xiàn)正反轉，變頻器應選擇具有四象限運行能力的變頻器。如三菱變頻器FR-A241系列。
②風機泵類負載
風機泵類負載是目前工業(yè)現(xiàn)場應用*多的設備，雖然泵和風機的特性多種多樣，但是主要以離心泵和離心風機應用為主，通用變頻器在這類負載上的應用*多。風機泵類負載是一種平方轉矩負載，其轉速n與流量Q，轉矩T與泵的軸功率N有如下關系式：
這類負載對變頻器的性能要求不高，只要求經(jīng)濟性和可靠性，所以選擇具有U/f=const控制模式的變頻器即可。如三菱變頻器FR-F540系列。風機負載在實際運行過程中，由于轉動慣量比較大，所以變頻器的加速時間和減速時間是一個非常重要的問題，可按下列公式進行計算：
式中：tACC—加速時間;
tDEC—減速時間;
GD2—折算到電機軸上的轉動慣量;
g—重力加速度，g=9.81;
TM—電動機的電磁轉矩;
TL—負載轉矩;
nAS—系統(tǒng)加速時的初始速度;
nAE—系統(tǒng)加速時的終止速度;
nDS—系統(tǒng)減速時的初始速度;
nDE—系統(tǒng)減速時的終止速度。
從上式可以看出，風機負載的系統(tǒng)轉動慣量計算是非常重要的。變頻器具體設計時，按上式計算結果，進行適當修正，在變頻器起動時不發(fā)生過流跳閘和變頻器減速時不發(fā)生過電壓跳閘的情況下，選擇*短時間。
泵類負載在實際運行過程中，輕易發(fā)生喘振、憋壓和水垂效應，所以變頻器選型時，要選擇適于泵類負載的變頻器且變頻器在功能設定時要針對上述問題進行單獨設定：
喘振：測量易發(fā)生喘振的頻率點，通過設定跳躍頻率點和寬度，避免系統(tǒng)發(fā)生共振現(xiàn)象。
憋壓：泵類負載在低速運行時，由于系統(tǒng)憋壓而導致流量為零，從而造成泵燒壞。在變頻器功能設定時，通過限定變頻器的*低頻率，而限定了泵流量的臨界點處的系統(tǒng)*低轉速，這就避免了此類現(xiàn)象的發(fā)生。
水垂效應：泵類負載在忽然斷電時，由于泵管道中的液體重力而倒流。若逆止閥不嚴或沒有逆止閥，將導致電機反轉，因電機發(fā)電而使變頻器發(fā)生故障警燒壞。在變頻器系統(tǒng)設計時，應使變頻器按減速曲線停止，在電機完全停止后再斷開主電路電，或者設定“斷電減速停止”功能，這樣就避免了該現(xiàn)象的發(fā)生。
③恒功率負載
恒功率負載是指轉矩大體與轉速成反比的負載，如卷取機、開卷機等。利用變頻器驅動恒功率負載時，應該是就一定的速度變化范圍而言的，通常考慮在某個轉速點以下采用恒轉矩調(diào)速方式，而在高于該轉速點時才采用恒功率調(diào)速方式。我們通常將該轉速點稱為基頻，該點對應的電壓為變頻器輸出額定電壓。從理論上講，要想實現(xiàn)真正意義上的恒功率控制，變頻器的輸出頻率f和輸出電壓U必須遵循U2/f=const協(xié)調(diào)控制，但這在實際變頻器運行過程中是不答應的，因為在基頻以上，變頻器的輸出電壓不能隨著其輸出頻率增加，只能保持額定電壓，所以只能是一種近似意義上的恒功率控制。
4、發(fā)熱問題及其對策
變頻器的發(fā)熱是由內(nèi)部的損耗產(chǎn)生的。在變頻器中各部分損耗中主要以主電路為主，約占98%，控制電路占2%。為了保證變頻器正常可靠運行，必須對變頻器進行散熱，通常采用以下方法：
①采用風扇散熱：變頻器的內(nèi)裝風扇可將變頻器的箱體內(nèi)部散熱帶走，若風扇不能正常工作，應立即停止變頻器運行。
②降低安裝環(huán)境溫度：由于變頻器是電子裝置，內(nèi)含電子元、電解電容等，所以溫度對其壽命影響比較大。通用變頻器的環(huán)境運行溫度一般要求-10℃~-50℃，假如能夠采取措施盡可能降低變頻器運行溫度，那么變頻器的使用壽命就延長，性能也比較穩(wěn)定。
我們采取兩種方法：一種方法是建造單獨的變頻器低壓間，內(nèi)部安裝空調(diào)，保持低壓間溫度在+15℃~+20℃之間。另一種方法是變頻器的安裝空間要滿足變頻器使用說明書的要求。
以上所談到的變頻器發(fā)熱是指變頻器在額定范圍之內(nèi)正常運行的損耗。當變頻器發(fā)生非正常運行產(chǎn)生的損耗必須通過正常的選型來避免此類現(xiàn)象的發(fā)生。
對于風機泵類負載，當我們選擇三菱變頻器FR-F540時，其過載能為120%/60秒，其過載周期為300秒，也就是說，當變頻器相對于其額定負載的120%過載時，其持續(xù)時間為60秒，并且在300秒之內(nèi)不答應出現(xiàn)**次過載。當變頻器出現(xiàn)過載時，功率單元因其流過的過載電流而升溫，導致變頻器過熱，這時必須盡快使其降溫以使變頻器的過熱保護動作消除，這個冷卻過程就是變頻器的過載周期。不同的變頻器，其過載倍數(shù)、過載時間和過載周期均不相同，并且其過載倍數(shù)越大，過載時間越短，請見表2所示：
對于變頻器所驅動的電機，按其工作情況可分為兩類：長期工作制和重復短時工作制。長期工作制的電機可以按其品牌規(guī)定的數(shù)據(jù)長期運行。針對該類負載，變頻器可根據(jù)電機銘牌數(shù)據(jù)進行選型，如連續(xù)運行的油泵，若其電機功率為22kW時，可選擇FR-F540-22k變頻器即可。重復短時工作制電機，其特點是重復性和短時性，即電機的工作時間和停歇時間交替進行，而且都比較短，二者之和，按國家規(guī)定不得超過60秒。重復短時工作制電機答應其過載且有一定的溫升。此時，若根據(jù)電機銘牌數(shù)據(jù)來選擇變頻器，勢必造成變頻器的損壞。針對該類負載，變頻器在參考電機銘牌數(shù)據(jù)的情況下要根據(jù)電機負載圖和變頻器的過載倍數(shù)、過載時間、過載周期來選型。如重復短時運行的升降機，其電機功率為18.5kW，可選擇FR-A540-22k變頻器。
5、結論
本文通過對通用變頻器運行過程中存在問題的分析，提出了解決這些問題的實際對策，隨著新技術和新理論不斷在變頻器上的應用，變頻器存在的這些問題有望通過變頻器本身的功能和補償來解決。隨著工業(yè)現(xiàn)場和社會環(huán)境對變頻器的要求不斷提高，滿足實際需要的真正“綠色”變頻器也會不久面世。